Модуль деформации грунтов

Каширский В.И. Директор по производственной и научно-исследовательской работе ООО
"ГрандГЕО", к.т.н. г. Пушкино, Московской обл. kvi4908@gmail.com. kvi@grandgeo.ru
Сравнительный анализ деформационных характеристик
грунтов получаемых лабораторными и полевыми методами
Аннотация. В статье рассматриваются методы и методики определения модуля
деформации грунтов лабораторными и полевыми методами. Выполнен сравнительный анализ зависимостей предлагаемых авторами различных публикаций и
нормативных документов, кроме того рассматриваются различные поправочные
коэффициенты и обосновывается введение новых с учетом размеров фундамента, изменения свойств грунтов с глубиной и по простиранию, временных поправок, учитывающих продолжительность опыта и эксплуатации сооружения. Особое внимание уделяется совершенствованию имеющейся нормативной документации по четвертичным грунтам и разработке нормативных документов по
дочетвертичным грунтам.
Ключевые слова: временная поправка, деформационные характеристики, деформация-напряжение, динамические испытания грунтов, дисперсные грунты,
компрессионные испытания, коэффициент переуплотнения грунтов, коэффициент Пуассона, лабораторные методы, модуль деформации, нагрузка, напряженное состояние, нормативные документы, нормативный модуль деформации,
одномерное сжатие, одноосное сжатие, осадка, отбор образцов грунта, полевые
испытания грунтов, расчетный модуль деформации, статическое зондирование,
структурная поправка, трехосные испытания, физико-механические свойства
грунтов, штамповые испытания.
Введение
Способность тел изменять свои размеры и форму, т.е. деформироваться под
действием механических напряжений выражается модулем деформации. Закон Гука
является основой определения модуля деформации, связывающий для упругих тел в
условиях одноосного сжатия (растяжения) величину относительной деформации εZ и
приложенное механическое напряжение σZ:
σZ=Е εZ,
где Е – модуль деформации, обычно выражаемый в МПа.
Как известно, в практике инженерных изысканий используются прямые и косвенные методы определения величины модуля деформации, которые в зависимости
от условий нагружения (напряженного состояния) делятся на лабораторные и полевые методы.
Лабораторные методы являются одним из основных и наиболее распространенных методов определения деформационных характеристик грунтов. Следует отметить, что многими учеными и исследователями указывается на существенное влияние
1
отбора образцов ненарушенной (малонарушенной) структуры для лабораторных
исследований. Так, например профессор Г.Г Болдырев в своей монографии указывает на то, что лабораторные образцы, вырезанные из монолитов имеют больший
коэффициент пористости (меньшую плотность), чем в полевых условиях (in situ). Т.е.
по результатам обработки лабораторных испытаний грунтов получаются меньшие
значения их механических характеристик и более высокая сжимаемость по сравнению с грунтами-аналогами природного сложения [2].
Представленная в [2] схема Ледда и Лембе, 1963 (Ladd and Lambe, 1963) изменения напряженного состояния при отборе образцов грунта (см. рис. 1) является
иллюстрацией качества отбора образца от способа его приготовления [25].
Рис. 1. Схема изменения напряженного состояния при отборе образцов грунта:
AP – идеальный отбор образцов; AB – проходка скважин; BC – отбор монолита грунтоносом; CD – извлечение из грунтоноса; DE – кавитация и перераспределение влажности; EF – вырезка образца из монолита и
размещение в камере трехосного сжатия
Следует отметить, что участок кривой, названный «идеальным» может быть поименован так с определенной долей условности, поскольку отбор образца ненарушенной структуры практически невозможен и такой монолит является образцом
малонарушенной структуры.
Отбор образцов-монолитов из массива при помощи грунтоносов из буровых
скважин сопровождается неизбежным изменением напряженного состояния грунтов
и нарушения их структурных связей, а также изменением плотности отбираемых
образцов. При этом когда отбирается монолит из «слабых» грунтов, обычно происходит их уплотнение, при отборе из плотных грунтов, происходит разуплотнение
последних и, как следствие этого, модуль деформации в первом случае оказывается
завышенным, а во втором случае - заниженным по сравнению с модулем деформации
грунта в массиве определенном либо методом обратных расчетов, либо при тщательно выполненных штамповых испытаниях.
2
На рис. 2
показаны компрессионные кривые e - lgP для глинистого
грунта для случая хорошего качества образца (1) и неудовлетворительного качества (2). Представленные авторами [8] схема и зависимость сопоставимы с результатами аналогичных исследований Сабатини и др. (Sabatini at al) [27] и Г.Г.
Болдырева [2].
По величине соотношения между Pstr и Pzg, называемым коэффициентом
переуплотнения, грунты делят на две большие группы: нормально уплотненные
(КПУ = 1) и переуплотненные (КПУ > 1)
Pstr
Pzg
OCR =
(1)
где Pzg =Υh - природное давление на глубине отбора монолитов грунта
Pstr - структурная прочность грунта при компрессионном сжатии.
Pzg
е
Pstr
е0
1
е  0,4е0
2
lgP
Рис. 2. Компрессионные кривые для образцов глинистого грунта разного качества:
1 - с ненарушенными структурными связями;
2 - с нарушенными структурными связями после отбора образцов при помощи грунтоноса.
Pzg - действующее в массиве вертикальное давление;
Pstr - давление переуплотнения (структурная прочность при компрессионном сжатии)
Переуплотнение глинистых грунтов является результатом действия процессов диагенеза (изменениями плотности при усадке - набухании, замерзании - оттаивании, изменении химического состава поровой воды, выпадения осадков, цементирующих частицы грунта, действия толщи ледников и т.п.). Глинистые грунты по
величине КПУ (OCR – overconsolidation Ratio) условно делят на:
нормально уплотненные
OCR =1
3
легко переуплотненные
сильно переуплотненные
OCR= 1,2-1,5
OCR =1,5-3 (5)
Величина коэффициента бокового давления глинистых грунтов (нормально
уплотненных Кн.у, переуплотненных Кп.у) связана с углом внутреннего трения и КПУ
следующими эмпирическими зависимостями:
для OCR =1
Кн.у.=1 -Sin φ
для OCR > 1
Кп.у. = Кн.у. • OCR.
На рис. 3 показаны кривые зависимости "деформация-напряжение" для трех
основных видов испытаний грунтов и определения параметров деформируемости –
модулей деформации. Значения модулей деформации, получаемые при таких испытаниях не равны друг другу, хотя в пределах линейной зависимости ε – σ могут быть
близки по величине.
Кривая зависимости ε – σ 1 соответствует условию деформации без возможности бокового, т.е. компрессионного сжатия, расширения и в первом приближении
отвечает деформации слоя грунтов, когда толщина слоя значительно меньше размеров загружаемого фундамента – основание плитного фундамента, плотины и т.п.
Нагружение грунтового основания фундаментом, размеры которого соизмеримы с толщиной слоя грунтов, что делает возможным боковые деформации грунта
соответствует кривая зависимости ε – σ 2. Это наиболее общий случай деформирования грунтового массива как основания фундамента.
Для кривой зависимости ε – σ 3 характерен случай для одноосного нагружения,
образца твердого тела (грунта). Данное напряженное состояние используется для
определения модуля деформации скальных грунтов и твердых глин. [2; 8].
4
σ1
1
ε1
3
2
1. Одномерное
сжатие (компрессия)
σ1
σ3
σ3
ε1
ε1
Eодн 
1
1
модуль компрессионной деформации
2. Трехосное
сжатие
σ1
σ2
σ3
E3осн 
1
1
модуль деформации при трехосном сжа-
тии (при σ3=const)
3. Одноосное
сжатие
σ1
ε1
Δl
1 
l
εx
εx
b
Δb
l
l
E1осн 
1
1
x 
b
b
модуль деформации при одноосном сжа-
тии
Рис. 3. Кривые "деформация-напряжение" для трех видов испытаний и определение параметров деформируемости грунтов для линейной части кривых
ε – σ.
5
В последние годы получило широкое распространение
определение модуля деформации по методу релаксации
напряжений (МРН) [4; 20-21]. Указанный способ защищен
А.Н. Труфановым в 2004 г. патентом РФ [21], а в 2011 метод
одобрен и рекомендован Национальным объединением изыскателей к внедрению. При высокой сходимости
результатов
испытаний МРН с испытаниями соответствующими требованиям ГОСТ 12248 [20; 22] авторами отмечается сокращение
Рис. 4. КР-2
сроков испытаний в 9-10 раз [4] и даже в 40-50 раз [22], что яв-
ляется несомненным преимуществом метода релаксации в условиях сокращающихся
сроков изысканий.
Наиболее известны компрессиометр-релаксометр КР-2 конструкции А.Н. Труфанова (НИИОСП им. Н,М, Герсеванова) –
Рис. 4, установка компрессионного сжатия фирмы «Геотек»
ГТ 0.1.1 – Рис. 5 и релаксометр АКР-2 (Новосибирский
инженерный центр) – Рис. 6.
Рис. 5. ГТ 0.1.1
Несомненный интерес
Рис. 6. АКР-2
представляют динамические испытания грунтов, являющихся средой распространения колебаний, обладающей упругими, демпфирующими и фильтрующими свойствами, позволяющими определить их динамическую неустойчивость, при которой
проявляется увеличение деформируемости и снижение прочности сравнительно со
статическим нагружением грунтов [5].
Основными задачами исследования динамической неустойчивости грунтов полевыми и лабораторными методами профессор МГУ Е.А. Вознесенский видит в
выявлении возможного разрушения или накопления деформаций при заданных
параметрах динамического воздействия, установлении динамического (обычно
сейсмического) разжижения грунтов, оценке его последствий и оценке дополнительных деформаций грунтов и земляных сооружений в условиях динамических нагрузок.
Большое практическое значение имеет определение категории песков по разжижаемости, которые могут быть отнесены к легко разжижаемым (плывунным),
6
разжижаемым и практически неразжижаемым, оценка которых выполняется по
данным полевых исследований, а для первых двух при условии экспериментальных
лабораторных работ [6]. Также подчеркивается обязательность проведения лабораторных исследований для связных и слабосвязных насыщенных водой грунтов [5].
Методы динамических испытаний грунтов представляют несомненную ценность и имеется настоятельная необходимость широчайшего их внедрения в практику
инженерных изысканий (геотехники), к глубокому сожалению в нашей стране отсутствуют стандарты, как для полевых, так и для лабораторных методов динамических
испытаний. В настоящее время исследования выполняются по различным методикам,
нередко не согласующимися между собой и как отмечает профессор Е.А. Вознесенский: «… качество получаемых материалов определяется только квалификацией
автора той или иной методики и использование таких данных при проектировании не
всегда эффективно» [5]. Поэтому принятие национального стандарта на динамические испытания дисперсных грунтов является настоятельной и первоочередной
необходимостью.
К прямым полевым методам определения Е относят два основных метода: метод нагружения штампа Еpl и прессиометрический метод Еpr, в последние годы для
получения деформационных характеристик грунтов выполняются испытания расклинивающими дилатометрами Ed.
Создавая вертикальную нагрузку на жесткий штамп, устанавливаемый на определенной глубине получают модель работы грунтового массива основания фундамента, поэтому этот метод принято считать эталонным, а определяемый модуль
деформации используется для прогноза осадок фундаментов и для установления
корреляционных зависимостей с модулями деформации полученными другими
методами.
Модуль деформации Еpl по штамповым испытаниям рассчитываемый для линейного участка зависимости S – P (абсолютная деформация – давление на штамп) по
формуле Шлейхера:
  P  b  1   2 
Е pl 
,
S
(2)
где ω - коэффициент формы круглого штампа, равный 0,79;
P– давление;
b – ширина (диаметр) штампа;
7
μ– коэффициент Пуассона;
S – осадка штампа.
Следует отметить, что различными авторами формула Шлейхера представляется с применением различных поправочных коэффициентов позволяющих получать более достоверные результаты при расчете модуля деформации
[11; 16; 17; 19; 23]
С 1 июля 2013 г. введен в действие ГОСТ 20276-2012, в соответствии с п. 5.5.2
которого модуль деформации E рекомендуется вычислять по формуле (3)
Е pl  (1  v 2 )  K p  K1  D
P
S
(3)
где v – коэффициент поперечного расширения (Пуассона),
Kp – коэффициент, принимаемый в зависимости от заглубления штампа h/D (h –
глубина расположения штампа относительно дневной поверхности грунта, см;
D – диаметр штампа, см);
K1 – коэффициент, принимаемый для жесткого круглого штампа равным 0,79;
∆P – приращение давления на штамп, МПа
∆S – приращение осадки штампа, соответствующее ∆P, см [1].
При испытаниях грунтов винтовыми штампами особое внимание следует
уделять вертикальности колонны труб и учитывать ее изгиб, на что обращали
внимание многие авторы [2; 11; 13 и др.]
Прессиометрический модуль деформации грунтов (Еpr) рекомендуется рассчитывать
для линейного (квазилинейного) участка зависимости изменения
объема грунта (∆V)– давления (P) по формуле:
Еpr  K r  r0 
Р
,
r
(4)
где Kr – корректирующий коэффициент, определяемый по результатам сопоставительных испытаний грунта штампами типов I-IV и радиальным прессиометром, проводимых не менее чем с двукратной повторностью;
∆Р – приращение давления на стенку скважины между двумя точками, взятыми
на осредняющей прямой, МПа;
∆r– приращение перемещения стенки скважины (по радиусу), соответствующее
∆Р, см [1].
Поскольку при проведении прессиометрических испытаний нагрузки создаются на грунтовый массив (стенки скважины) в горизонтальном направлении, для получения величины модуля сопоставимого с величиной Еpl в практи-
8
ке отечественных изысканий вводится поправка на анизотропию грунтов, которая действующим ГОСТ 20276-2012, для грунтов с выраженными анизотропными свойствами может достигать 2 ÷ 5 в зависимости от вида грунта при определении коэффициента Kr [1].
В работе Ледда и соавторов 1977 г (Ladd at al, 1977) указывается, что природная анизотропия песков в результате преимущественной ориентации частиц
при их отложении для рыхлых песков в результате их анизотропии деформация
в горизонтальном направлении превышает вертикальную деформацию, т.е. это
обусловливает неравенство: Eh < Ev или E║ < E┴, а также
φ┴ > φ , в плотных
║
песках [24].
В таблице Ледда и соавторов [24], частично преобразованной и дополненной нами представлены модули деформации, полученные в результате испытаний параллельно слоистости (E=) и перпендикулярно слоям (E┴) в зависимости от коэффициента пористости (e0) (см. табл. 1).
Таблица 1
Направление
нагрузки
β0
β90
E= / E┴
Коэффициент пористости
e0=0,7
e0=0,8
430
170
200
100
2,15
1,7
Как отмечалось выше, одним из перспективных направлений развития полевых методов определения деформационных характеристик дисперсных грунтов являются их испытания приборами релаксационного типа, позволяющими,
без потери качества получаемой информации, значительно сократить продолжительность проведения испытаний сжимаемости грунтов.
Широко
известны
расклинивающие
дилатометры конструкции Марчетти (Marchetti) DMT, которые используются в 50
странах мира, методики испытаний этими
приборами приведены в соответствие с положениями ASTM (США) и Eurocode. Области применения плоского дилатометра Марчетти довольно разнообразны: определение
9
Рис. 7. Дилатометр Марчетти (DMT)
типа грунта (глина, песок, ил); определение модуля деформации грунтов; определение недренированной прочности на сдвиг (Cu) прогнозирование осадок;
контроль уплотнения грунтов; выявление поверхностей скольжения на склонах
и т.д. [7; 26]
В нашей стране
разработан и
внедрен ЗапСибТИСИЗом, получивший
широкое применение в различных регионах РФ расклинивающий дилатометр РД-100, позволяющий определять
модуль деформации дисперсных грунтов в полевых условиях по методу реРис. 8. Расклинивающий дилатометр РД-100
лаксации напряжений. На стадии внед-
рения расклинивающего дилатометра в практику инженерных изысканий были
проведены детальные научно-экспериментальные исследования по обоснованию конструктивных и методических особенностей его использования [14].
Причем исследования, выполняемые под руководством и при непосредственном участии С.Н. Лаврова имели комплексный характер, когда выполнялось изучение напряженно-деформированного состояния
грунтовых массивов
в процессе погружения клиновидного индентора, а также экспериментальные
исследования расклинивающего дилатометра с обоснованием требований к его
конструкции с параллельной разработкой методики определения модуля деформации расклинивающим дилатометром [15].
Имеются способы и устройства для определения деформационных свойств грунтов по методу
релаксации в массиве в вертикальном направлении,
когда рабочий индентор представляет винтовую
лопасть с вмонтированными в нее датчиками
напряжений. Следует отметить, что в данном случае датчики расположены горизонтально и проведение измерений по нормали работы фундаментов
исключает проблемы с определением анизотропии
грунтов (см. рис. 9) Описанные выше способ и
устройство для его реализации защищены патентом
10
Рис. 9. Винтовой штампдилатометр Каширского В.И.
на изобретение [13].
Для определения деформационных характеристик дисперсных грунтов
широко используется статическое зондирование, которое, несмотря на то, что
является косвенным методом, стараниями специалистов различных стран в последние годы превратился в один из самых передовых методов, позволяющий
изучать многочисленные свойства грунтов.
Следует отметить, что при расчете деформационных характеристик (как
впрочем, и многих других) имеются два подхода – российский и зарубежный.
Так, например отечественные исследователи отдают предпочтение параллельным сопоставительным испытаниям грунтов в массиве штампами и статическим
зондированием, а у зарубежных геотехников (изыскателей) - иной подход. Зарубежные специалисты выполняют испытания в калибровочных камерах с заранее заданными плотностью и влажностью, подтвержденными лабораторными
исследованиями. Они, конечно, учитывают генезис грунтов (пород), но главным
критерием для них является коэффициент переуплотнения. Для каждого из видов грунтов получены свои коэффициенты (как правило, с помощью калибровочных камер), и для каждого из 3-х видов (нормально уплотненные, недоуплотненные и переуплотненные грунты) получены свои зависимости, при
условии измерений порового давления [3]. Подобный подход позволяет непосредственно в полевых условиях, например, по результатам испытаний грунтов
статическим зондированием, естественно, с измерением многих параметров и
определенной достоверностью, выполнять расчеты несущей способности грунтов оснований фундаментов. Тема, посвященная статическому зондированию
весьма обширна и достаточно хорошо освещается в научной литературе, как зарубежной, так и отечественной.
Сопоставление компрессионного модуля деформации Еoed с
штамповым (эталонным) модулем деформации грунтов Еpl
В лабораторных условиях определяется компрессионный модуль деформации грунтов (Eoed) на образцах грунта, вырезанных из монолитов, отобранных
из массива грунтов. Сравнение фактических осадок фундаментов выполненное
с рассчитанными компрессионными модулями деформации показывает, что величина осадки полученной по результатам компрессионных испытаний оказы-
11
вается завышенной, поскольку Eoed определенный на образцах в лабораторных
условиях дает заниженное значение модуля деформации. В тоже время расчет
осадки фундамента выполненный с использованием величины штампового модуля деформации Еpl в большей степени отражает фактическую осадку фундамента.
Это обстоятельство обусловило применение в практике отечественных
изысканий поправочных коэффициентов для приведения компрессионного модуля деформации к штамповому модулю:
Е pl    mk  Eoed ,
(5)
где Eoed – компрессионный модуль деформации для определенного давления;

2 2 
 ;
β – коэффициент учитывающий напряженное состояние 1 
 1  
mk – эмпирический коэффициент зависящий от вида грунта,
показателя текучести (IL) и коэффициента пористости (e) (обычно от 2 до 6).
Тем не менее поправка mk, которая позволяет приблизить значение Eoed к
Еpl, по умолчанию характеризующему деформацию грунта являющегося основанием фундамента не является полным отражением реальных деформационных свойств грунтов в массиве и нуждается в дополнительной корректировке.
Так помимо mk=f(IL, e) необходимо вводить ряд других поправок:
1.
Масштабная поправка mb – влияние размера фундамента и изменение
свойств грунтов с глубиной.
2.
Структурная поправка mstr – учитывает изменение свойств грунтов по латерали (в горизонтальном направлении). Что может быть очень важно для протяженных фундаментов и для глубоких котлованов.
3.
Временная поправка mt – учитывает продолжительность опыта и эксплуатации сооружения. Практика показывает, что значение опытного модуля деформации к значению модуля деформации при длительной осадке фундамента,
скажем 50 лет, может быть уменьшено в зависимости от вида грунта на 30-50%.
Поправка mk рекомендуемая многими инструкциями и приложениями к
действующим нормативным документам не является универсальной и пригодна
только для корректировки Eoed глинистых грунтов в ограниченном диапазоне
давлений (0,1 – 0,2 МПа). Для получения mk в другом диапазоне давлений, необ-
12
ходимых для проектирования современных зданий и сооружений требуется
установление новых значений поправки mk.
К сожалению, такая работа, как правило, не выполняется, задача выбора
оптимального значения модуля деформации грунтов в массиве становится
весьма сложной, и не всегда может быть оптимально решена только силами
изыскателей–практиков
работающих
строго
по
принятым
нормативно-
методическим документам. Хотя в последние годы по требованию проектировщиков, а нередко и по собственной инициативе изыскатели иногда самостоятельно проводят исследования, позволяющие устанавливать величину поправки
mk для каждой отдельной площадки и учитывать реальные значения действующих напряжений в основании фундаментов. Так, например ООО "ГрандГЕО"
при выполнении комплексных инженерных изысканий
в жилом комплексе
«Новое Домодедово» (микрорайон «Южный») сверх договорных отношений
был выполнен значительный объем полевых работ (параллельные испытания
штампами и статическим зондированием) и лабораторных исследований (компрессионные и 3-хосные испытания, с полным комплексом определений физических свойств) юрских глинистых отложений. Анализ результатов этих исследований показал, что имеется разброс значений поправочных коэффициентов
перехода (k) от лобового сопротивления (qc) к модулям деформации (E) полученных различными методами, а также относительно рекомендованных действующим нормативам (см. табл. 2). Более подробно результаты исследований
представлены в [12].
Таблица 2
Модули деформации, полученные различными методами и коэффициенты перехода от
сопротивления грунта внедрению конуса к модулю деформации для верхнеюрских (J3) глинистых грунтов 2-го квартала микрорайона «Южный» (г. Домодедово)
Наименование
грунта
Компрессионные
испытания
Модуль деформации E, МПа
ТрехСтатиШтамСП
осные
ческое
повые
22.13330.
испызондииспы2011
тания
рование тания*
Суглинки
полутвердые и ту21
20
17
гопластичные
22
Глины твердые
32
40
27
27
и полутвердые
37
*Сверху – по 1-й ветви, снизу – по 2-ой ветви нагружения
Рекомендовавнные
значения
Сопротивление
грунта
внедрению конуса, qc
Переходный
коэффициент,
k=Epl/ qc
-
21
2,81
7,47
22
27
3,9
6,92
Авторами настоящей публикации также неоднократно указывалось на
необходимость регионального (территориального) подхода к изысканиям, который должен превалировать над административно-командными способами
13
назначения единых норм без учета местных инженерно-геологических условий
от Калининграда до Берингова пролива и от заполярья до субтропиков.
Положительным примером обеспечения инженерно-геологических изысканий нормативной документацией с учетом местных условий является пример
разработки региональных нормативов градостроительного проектирования
Томской области [18]. На базе длительных и детальных исследований показали
авторы рекомендаций показали, что значения корректировочных коэффициентов mk могут существенно отличаться от рекомендованных «общесоюзными»
нормативными документами и нуждаются в уточнениях с учетом региональных
особенностей генезиса, состава, свойств грунтов [18].
Томскими учеными и специалистами представлены региональные mk, характерные для томских четвертичных супесей и суглинков (см. табл. 3) [18].
Следует отметить, что авторами не приведены сведения о глинах, которые также должны быть широко распространены в регионе. Несомненно, что при более
детальном изучении свойств можно выявить и характерные закономерности
для других видов грунтов данной территории, в том числе и для нечетвертичных.
Таблица 3
Региональные корректировочные коэффициенты mk
для четвертичных супесей и суглинков на территории г. Томска
Вид грунта
Супеси
Суглинки
Показатель
текучести IL
IL < 0
0 ≤ IL ≤ 1
IL < 0
0 ≤ IL ≤ 0,25
0,25 < IL ≤ 0,50
0,50 < IL ≤ 0,75
0,75 < IL ≤ 1
Значения mk при коэффициенте пористости e
0,55
0,65
0,75
0,85
2,3
2,1
1,8
1,5
1,7
1,6
1,5
1,2
2,6
2,2
1,9
1,7
2,4
2,1
1,8
1,5
2,3
2,0
1,7
1,4
2,2
1,9
1,6
1,3
1,9
1,7
1,4
1,2
На рисунках 10 и 11 представлены графики зависимости корректировочных коэффициентов mk от коэффициентов пористости e супесей (см. рис. 10) и
суглинков (см. рис. 11), характерных для территории г. Томска. Следует отметить, что российские специалисты предпочитают модуль деформации, полученный по результатам штамповых испытаний обозначать «Ешт», а модуль деформации, полученный в результате компрессионных испытаний «Ек» (см. рис.
10 и 11).
14
Рис. 10. Графики зависимости корректировочного коэффициента mk от пористости грунта e для супесей:
1 − твердых; 2 – пластичных
Рис. 11. Графики зависимости корректировочного коэффициента mk от пористости грунта e для суглинков:
1 − твердых; 2 – полутвердых; 3 – тугопластичных; 4 – мягкопластичных; 5 –
текучепластичных
Исходя из многочисленных исследований и накопившегося опыта, многие специалисты считают, что необходимо широко внедрять региональный поход к нормотворчеству и вводить в практику изысканий территориальные нормативные документы, естественно, создаваемых на базе федеральных подзаконных актов.
Значения модуля деформации грунтов
В практике инженерных изысканий следует различать четыре значения Е:
1. Частные значения модуля деформации Еi, получаемые опытным путем.
2. Нормативные или средние значения модуля деформации
n
 Ei
EN  E  1
m n
(6)
3. Расчетные значения модуля деформации
ER 
EN
,
К 3'
(7)
где К 3 зависит от доверительной вероятности, обычно К3>1(1,2-1,5);
4. Значения Е принятые в проекте
'
Е
prj
ЕR
 "
К3
,
(8)
15
где
K 3"
- учитывает уровень ответственности сооружения, сложность инженерно-
геологических условий и обычно выбирается проектировщиком после консультаций с геотехниками и изыскателями.
На стадии инженерных изысканий обычно определяют значения EN и ER (если
это указано в техническом задании).
Коэффициент Пуассона
Коэффициент Пуассона или коэффициент поперечной деформации обозначается буквой греческого алфавита ν
λ
(ню) или μ (мю).
Одноосное раздавливание
(квадратная призма)
2 
h
вертикальная отноh
сительная деформация
b
 x  y 
b горизонтальная относительная деформация
h

b
x
 0  0,5
y
Рис. 12. Схема определения коэффициента Пуассона
при одноосном раздавливании.
Коэффициент Пуассона применяется в расчетах модулей деформации грунтов,
являясь показателем способности изменения объема грунта под действием напряжений в процессе его упругого деформирования. В скальных грунтах v изменяется в
узких пределах v=0,1-0,3. В кварцсодержащих грунтах (кварциты) v=0,09-0,14. В
трещиноватых скальных грунтах v может быть близок к нулю. В пробке (губке) ν≈0.
В свинце, v=0,5. В дисперсных грунтах v=0,1-0,5 [9; 10; 28].
Н.А. Цытовичем была предложена формула, связывающая v с показателем текучести (IL) v=0,05+0,45IL при IL  0.
(9)
Модуль деформации и фактор времени
В механику грунтов понятие о модуле деформации пришло из механики
сплошных изотропных твердых тел, в которых деформации при приложении
16
внешних нагрузок протекают практически мгновенно. Иная ситуация в дисперсных, особенно глинистых водонасыщенных грунтах, когда для достижения
равновесных деформаций под действием давления требуется определенное время и обычно за равновесное состояние принимается такое состояние, которое
удовлетворяет определенному критерию скорости деформации, регламентированному нормативными документами.
В связи с этим, квазиравновесное состояние (деформация-давление) в полевом или лабораторном опыте, особенно в глинистых водонасыщенных грунтах
не означает, что все деформации в грунте прошли за время проведения опыта. А
поскольку фундаменты зданий или сооружений передают нагрузки длительное
время, порядка 50-100 лет, т.е. деформации грунтов оснований продолжаются в
виде так называемых, «вековых» осадок.
Обычно прогноз осадок грунтового основания выполняется величиной модуля деформации без учета фактора времени. Включение в расчет модуля деформации временного фактора с учетом длительного периода эксплуатации
здания (сооружения) показывает, что при прочих равных условиях, модуль деформации, особенно глинистых водонасыщенных грунтов, с течением времени
будет уменьшаться.
Изменение деформации дисперсных грунтов во времени, под постоянным по
величине давлением может быть аппроксимировано эмпирической формулой:
St  So (1  C lg
t
)
to
(10)
Где St - осадка грунтового основания за время t при P = const;
So – осадка грунтового основания (массива) во время опыта to при P =
const;
C - эмпирический коэффициент.
Учет длительных деформаций грунта во времени, соизмеримом со временем
эксплуатации здания (сооружения), приводит к уменьшению модуля деформации глинистых водонасыщенных грунтов до 30-50%. В связи с этим необходимо
вводить в практику инженерных изысканий значения модуля деформации на
определенный период времени, модуль деформации, например, за 1 и 10 лет
эксплуатации здания ( сооружения).
17
Влияние диаметра штампа на модуль деформации грунтов.
Из теории упругости, как указывалось выше, модуль деформации штамповый Еpl определяется по одной из модификаций формулы Шлейхера:
Epl =
dp
S
(1-v2)
(11)
где ω = 0,79
d - диаметр штампа;
р - давление на штамп;
S - осадка;
v - коэффициент Пуассона.
Для однородной, изотропной и ненапряженной среды модуль деформации
Еpl прямо пропорционален отношению d/s, т.е. Еpl= const. И с ростом величины d
возрастает лишь предел пропорциональности при неизменном значении модуля
деформации. Это положение подтверждается результатами опытов в лотке
большого размера на песчаном грунте.
Но массивы грунтов даже внешне однородных, характеризуются неоднородностью строения, как по горизонтали, так и по вертикали наличием напряженного состояния, в связи с чем, зависимость E-d, для массива грунтов будет
иной, чем для однородной изотропной ненапряженной среды. Так для внешне
однородных массивов грунтов модуль деформации с ростом диаметра штампа
будет в результате того, что с ростом d в среду воздействия напряжений будет
вовлекаться больший объем грунтов различной плотности, а также слои грунтов
более жесткие, чем залегающие под штампом. В данном случае испытания
штампами разного диаметра позволяет оценить структурную неоднородность
грунтов в массиве.
В связи с этим для реальных грунтовых массивов, испытываемых с помощью штампов модуль деформации должен рассчитываться как средневзвешенное значение,
Eср. взв. =
n
 hi
n

(12)
hi
Еi
где n - число слоев грунта, отличающихся, как по строению, плотности, так и по
18
напряженному состоянию;
hi- мощность слоев грунта;
Ei- модуль деформации слоя грунта мощностью hi.
Обычно принимается, что зона влияния штампа не превышает 2-3 значения
диаметра штампа. Более строгий критерий однородности слоя связан с величиной коэффициента вариации величины модуля деформации 0,3-0,5. В пределах
слоев грунта, принимаемых за условно однородные, модуль деформации Е =
const. С глубиной модуль деформации возрастает и график зависимости Е = f
(h) имеет ступенчато возрастающий характер.
В случае неоднородности грунтового массива по вертикали, для больших по
площади фундаментов целесообразно строить карты срезы для глубин в пределах активной зоны влияния фундамента.
ВЫВОДЫ
Определение модуля деформации полевыми и лабораторными методами
требует взвешенного подхода, дополнительного изучения и выведения новых
зависимостей с учетом различных коэффициентов и поправок:
- масштабной поправки (mb), которая обусловлена размерами фундамента и изменением свойств грунтов с глубиной;
- структурной поправки (mstr), учитывающей изменение свойств грунтов по латерали (в горизонтальном направлении), что может быть очень важно для протяженных фундаментов и для глубоких котлованов;
- временной поправки (mt), учитывающей продолжительность опыта и эксплуатации сооружения.
Хорошо известно, что дочетвертичные грунты (например в Московском
регионе меловые, юрские и карбоновые отложения) практически не нормированы, поэтому необходимы комплексные исследования по определению их физико-механических свойств, в том числе и по обоснованию определения модуля
деформации лабораторными и полевыми методами.
На основании изучения свойств грунтов различных территорий полевыми и лабораторными методами нами предлагается переход к разработке региональных нормативных документов, в том числе модуля деформации и различных поправочных коэффициентов.
19
Список литературы
1. ГОСТ 20276-2012 "Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости"
2. Болдырев Г.Г. Методы определения механических свойств грунтов с комментариями к ГОСТ
12248-2010 [Текст]: Монография / Г.Г. Болдырев. 2-е изд., доп, и испр. М.: «Прондо», 2014. 812
с.
3. Болдырев Г.Г. Полевые методы испытаний грунтов (В вопросах и ответах) / Г.Г. Болдырев.
Саратов: Издательский центр «РАТА», 2013. 356 с.
4. Болдырев Г.Г., Арефьев Д.В., Гордеев А.В. Определение деформационных характеристик
грунтов различными лабораторными методами. Инженерные изыскания // август 2010. С.16-23.
5. Вознесеский Е.А. Динамические испытания грунтов. Состояние вопроса и стандартизация //
Инженерные изыскания. 2013. №5. С. 20-26.
6. Вознесеский Е.А., Кушнарева Е.С. Сейсмическая разжижаемость грунтов: инженерная оценка и классифицирование // Инженерная-геология. 2012. №4. С. 11-23.
7. Дилатометр Марчетти (DMT). http://www.agtsys.ru/item/249
8. Зиангиров Р.С., Каширский В.И. К вопросу об определении модуля деформации грунтов.
Инженерные изыскания в строительстве // Материалы Девятой Общероссийской конференции
изыскательских организаций. М.: ООО «Геомаркетинг». 2013,204 с.
9.Зиангиров Р.С., Каширский В.И. Оценка деформационных свойств дисперсных грунтов по
данным статического зондирования. М., Основания, фундаменты и механика грунтов, №1, 2005,
с. 12-16.
10. Зиангиров Р.С., Каширский В.И. Оценка модуля общей деформации воскресенских глин с
использованием метода статических нагрузок. Инженерная геология, март 1/2009, с. 44-50.
11. Каширский В.И. Методика исследований состава и свойств дисперсных грунтов полевыми
методами в условиях мегаполиса (на примере г. Москвы). Диссертация на соискание ученой
степени кандидата технических наук. М.; ПНИИИС, 2005, 197 с.
12. КаширскийВ.И. Особенности испытаний четвертичных и дочетвертичных дисперсных грунтов полевыми и лабораторными методами. Инженерные изыскания. №5, 2013, с. 34-42.
13. Каширский В.И. Способ испытания грунтов статической нагрузкой и устройство для его
осуществления. Патент РФ №2252297 и устройство для его осуществления”. Патент РФ
№2252296 от 20.05.2005 по заявке № 2004125639 от 27.12.04 г.
14. Лавров С.Н. Методика исследований деформационных свойств дисперсных грунтов расклинивающим дилатометром в полевых условиях. Автореферат диссертации на соискании
ученой степени кандидата технических наук. Барнаул, 2011.
15. Лавров, С. Н. Опыт применения и перспективы использованиям клиновидных инденторов
для полевых исследований грунтов / С. Н: Лавров // Матер. XIV конф. молодых специалистов по
геологии и геофизике Восточной Сибири. — Иркутск, 1990: -С. 58
16. Пешковский А.М., Перескокова Т.М. Инженерная геология. Под общ. ред. Ланге О.К. –М:,
Высшая школа. 1971, 369 с.
20
17. Пешковский А.М., Перескокова Т.М. Инженерная геология. Издание второе переработанное
и дополненное. – М: Высшая школа. 1982, 341 с.
18. Рекомендации по определению значений модуля деформации грунтов по результатам компрессионных испытаний с использованием региональных корректировочных коэффициентов.
Томск: 2007. 22 с.
19. Справочник по инженерной геологи. Под общей редакцией Чуринова М.В. – М:, Недра,1968,
540 с.
20. Труфанов А.Н. Перспективы применения метода релаксации напряжений в практике инженерных изысканий. Инженерные изыскания №5, 2013, с.44 -51.
21. Труфанов А.Н.. Способ лабораторного определения деформационных характеристик грунтов. Патент на изобретение № 2272101 от 25.08.2004 г.
22. Труфанов А.Н. Сравнительный анализ результатов определения модуля деформации по методу релаксации напряжений (МРН) и ГОСТ 12248. Материалы Восьмой Общероссийской конференции изыскательских организаций. М.: ООО «Геомаркетинг». 2012, с. 46-48.
23. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1983, 528 с.
24. Ladd C.C., Foott R, Ishihara K, Schlosser F, Poulos H.G. Stress-Deformation and Strength Characteristics. State-of-the-Report, Proc., 9th Int. Conf. on Soil Mechanics and Foundation Engineering,
Japanese Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering, Tokio, 2, 1977, P. 421-494.
25. Ladd C.C., Lambe T.W. The Strengtyh of Undisturbed Clay Determined from Undraimend Tests.
Laboratory Shear Testing of Soils/ ASTM Special Technical Publication No. 361. – 1963.- P. 342371.
26. Marchetti, SI Sensitivity of CPT and DMT to> stress history and aging in sands For liquefaction
assessment: CPT 2010 Int.nl Symposium Huntington. 127. Beach, California, May 2010, 117-125.
27. Sabatini P,J., Bachus R.C., Mayne P.W., Schhhneider J.A., Zettler T.E. Geotechnical Engineering Circular No.5. Evaluation of Soil and Rock Properties. Report No.
FNWA-02-034, 2002, p. 80.
28. Ziangirov R. S., Kashirskiy V.I., Barvashov V.A., Dmitriev S.V. Determination of Defjrmation modulus in Excavations by Static Plate Tests // 3rd International Geotechnical Symposium on Geotechnical
Engineering for Disaster Prevention end Reduction. Harbin Institute of Technology, July 22~24, 2009.
Harbin, China, pp. 98~103.
21